JP2003040685A - 酸化物繊維系複合材料、及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ８００℃以上の高温下であっても、高い耐酸
化性、耐衝撃性、耐熱衝撃性等を発揮することができ
る、安価な酸化物繊維系複合材料、及びその製造方法を
提供する。 【解決手段】 アルミナ、シリカ（ＳｉＯ₂）、又はこ
れらの化合物の少なくとも１種を主成分とする酸化物繊
維と、リン酸アルミニウム（ＡｌＰＯ₄）を主成分とす
るマトリックスとを備える酸化物繊維系複合材料とす
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】 本発明は、酸化物繊維系複
合材料及びその製造方法に関する。より詳しくは、いわ
ゆるリン酸アルミニウム系セメントを主成分とするマト
リックスと、酸化物繊維とを備える酸化物繊維系複合材
料及びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】 今日においては、技術革新が急速に進
む中で、８００℃以上の高温下で、耐熱性、耐熱衝撃
性、耐衝撃性、及び耐酸化性等に優れる無機系材料の出
現が、金属加工用治具等種々の分野で求められている。

【０００３】 従来、高い耐熱性を有する材料として、
窒化珪素や炭化珪素材料等のセラミックスが知られてい
るが、これらの材料は、固有の性質として脆さという欠
点を有しており、熱的、機械的衝撃に対しても充分な強
度を有するものではなかった。

【０００４】 また、このようなセラミックスの欠点を
克服する材料として、ガラス繊維、炭素繊維、若しくは
炭化珪素繊維等の無機繊維、又は窒化珪素や窒化硼素等
からなるウイスカーで強化した複合材料が研究されてお
り、珪酸カルシウム（ＣａＳｉＯ₃）を主成分とするセ
メントをガラス繊維で強化した複合材料、又は炭素繊維
強化複合材料である、いわゆるＣ／Ｃコンポジット等、
一部では、既に実用化されている。

【０００５】 しかし、珪酸カルシウム（ＣａＳｉ
Ｏ₃）を主成分とするセメントをガラス繊維で強化した
複合材料では、ガラス繊維の耐熱温度が５００℃程度し
かなく、しかも、珪酸カルシウム（ＣａＳｉＯ₃）を主
成分とするセメントは、固有の特性として脆いという欠
点があるため、実質上、耐熱分野での使用は極めて困難
である。

【０００６】 また、いわゆるＣ／Ｃコンポジット材料
では、酸素の存在下で容易に燃焼してしまうという欠点
を有するため、使用雰囲気が極めて制限されるという問
題があった。

【０００７】 このような状況下、本発明者は、先に、
Ｃ／Ｃコンポジット材料を基本骨格とし、二次元又は三
次元方向に配列した炭素繊維と、その間隙に形成される
Ｓｉ−ＳｉＣ系材料、又はＳｉＣ系材料からなるマトリ
ックスとを有するＳｉ−ＳｉＣ系複合材料、又はＳｉＣ
系複合材料等を提案している。この複合材料は、高温下
で、しかも使用雰囲気に拘らず、耐酸化性、耐熱衝撃
性、及び耐衝撃性等が大きく、その特性上、上記の分野
において、好適に利用することができるものである。

【０００８】 しかし、この複合材料では基本骨格とし
て使用するＣ／Ｃコンポジット材料のコストがかなり割
高であり、結果としてこれらの複合材料のコストそのも
のもどうしても割高とならざるを得ないため、実際に
は、コスト面から、その適用分野が限定されるている状
況にあった。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】 本発明は上記した従
来の課題に鑑みてなされたものであり、その目的とする
ところは、より合理的な価格で、８００℃以上の高温下
においても、耐酸化性、耐衝撃性、耐熱衝撃性等の大き
な複合材料および同複合材料の製造方法を提供すること
にある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】 本発明者は、上記の様
な現状に鑑みて種々検討した結果、コストの低い、アル
ミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）、シリカ（ＳｉＯ₂）、又はこれらの
化合物の少なくとも１種を主成分とする酸化物繊維と、
リン酸アルミニウム（ＡｌＰＯ₄）を主成分とするマト
リックスとを備える酸化物繊維系複合材料でも、高温下
において、耐酸化性、耐衝撃性、耐熱衝撃性等が大き
く、近年の、高性能化の要請にも応じ得ることを見出し
て、本発明を完成させた。

【００１１】 即ち、本発明によれば、アルミナ（Ａｌ
₂Ｏ₃）、シリカ（ＳｉＯ ₂）、又はこれらの化合物の少
なくとも一種を主成分とする酸化物繊維と、リン酸アル
ミニウム（ＡｌＰＯ₄）を主成分とするマトリックスと
を備えることを特徴とする酸化物繊維系複合材料が提供
される。

【００１２】 本発明においては、酸化物繊維は、アル
ミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）０〜９０質量％と、シリカ（Ｓｉ
Ｏ₂）１０〜７０質量％と、ムライト（３Ａｌ₂Ｏ₃・２
ＳｉＯ₂）０〜３０質量％と、その他の成分０〜１０質
量％とからなることが好ましい。また、酸化物繊維は、
アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）繊維０〜６０質量％と、シリカ繊
維（ＳｉＯ₂）１０〜５０質量％と、ムライト（３Ａｌ₂
Ｏ₃・２ＳｉＯ₂）繊維０〜３０質量％と、その他の成分
からなる繊維０〜１０質量％とを混在させてなることも
好ましい。

【００１３】 本発明においては、酸化物繊維の長さ
は、３〜５０ｍｍであることが好ましい。また、酸化物
繊維の少なくとも一部が、繊維軸方向に配向されて繊維
束を構成することが好ましく、この際、繊維束の複数
を、各繊維束がクロスする状態で配列してなることがよ
り好ましい。また、酸化物繊維を、複合材料中、１５〜
４０質量％含有することが好ましい。

【００１４】 また、本発明においては、マトリックス
は、リン酸アルミニウム（ＡｌＰＯ₄）５〜７０質量％
と、第一リン酸アルミニウム（Ａｌ（Ｈ₃ＰＯ₄）₃）０
〜７０質量％と、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）５〜３０質量％
と、シリカ（ＳｉＯ ₂）５〜２０質量％と、その他の成
分０〜１０質量％とからなることが好ましい。

【００１５】 尚、本発明においては、８００℃以上の
高温でも実質的に酸化されることがなく、かつその衝撃
強度が１．０〜５０．０ｋＪ／ｍ²である酸化物繊維系
複合材料を得ることができる。

【００１６】 一方、本発明によれば、アルミナ（Ａｌ
₂Ｏ₃）、シリカ（ＳｉＯ ₂）、又はこれらの化合物の少
なくとも一種を主成分とする酸化物繊維に、第一リン酸
アルミニウム（Ａｌ（Ｈ₃ＰＯ₄）₃）を主成分とするマ
トリックス原料からなるスラリーを含浸させ、この含浸
させたスラリーを硬化させた後、得られた複合材料を乾
燥することを特徴とする酸化物繊維系複合材料の製造方
法が提供される。

【００１７】 本発明の製造方法においては、前述した
本発明の酸化物繊維系複合材料で述べたものと同様の酸
化物繊維を用いることが好ましい。また、マトリックス
原料からなるスラリーは、第一リン酸アルミニウム（Ａ
ｌ（Ｈ₃ＰＯ₄）₃）５〜７０質量％と、リン酸アルミニ
ウム（ＡｌＰＯ₄）０〜７０質量％と、アルミナ（Ａｌ₂
Ｏ₃）５〜３０質量％と、シリカ（ＳｉＯ₂）５〜２０質
量％と、その他の成分０〜１０質量％とからなることが
好ましい。また、その他の成分として、金属珪素とフェ
ノール系樹脂、又はフェノール系樹脂を含有することも
好ましい。

【００１８】 本発明の製造方法においては、複合材料
を乾燥した後、複合材料を、更に焼成することが好まし
い。また、複合材料を乾燥した後、又は複合材料を更に
焼成した後、複合材料に、金属珪素とフェノール系樹
脂、又は金属珪素を含浸させることが好ましい。

【００１９】 以上のように、本発明の酸化物繊維系複
合材料では、リン酸アルミニウム（ＡｌＰＯ₄）を主成
分とするマトリックスを有するため、８００℃以上の高
温下で、耐酸化性、耐熱性等の大きな材料とすることが
できる。また、アルミナ、シリカ（ＳｉＯ₂）、又はこ
れらの化合物の少なくとも一種を主成分とする酸化物繊
維を用いるため、８００℃以上の高温下で、極めて大き
な耐衝撃性、耐熱衝撃性等を有する材料とすることがで
きる。

【００２０】 更には、これらマトリックス及び酸化物
繊維を構成する材料が、非常に割安であり、しかも製造
が簡易かつ容易であるため、極めて低コストで、上述し
た高性能の材料を提供することが可能となる。

【００２１】

【発明の実施の形態】 以下、本発明の実施形態につい
て具体的に説明する。本発明に係る酸化物繊維系複合材
料は、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）、シリカ（ＳｉＯ₂）、及
びこれらの化合物を主成分とする酸化物繊維を備えるも
のである。

【００２２】 これにより、上述したように、極めて低
コストで、８００℃以上の高温下でも、耐衝撃性、耐熱
衝撃性等が極めて大きな材料とすることができる。

【００２３】 本発明における酸化物繊維としては、ア
ルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）０〜９０質量％と、シリカ（ＳｉＯ
₂）１０〜７０質量％と、ムライト（３Ａｌ₂Ｏ₃・２Ｓ
ｉＯ₂）０〜３０質量％と、その他の成分０〜１０質量
％とからなるものが好ましく、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）３
０〜６０質量％と、シリカ（ＳｉＯ₂）１０〜２０質量
％と、ムライト（３Ａｌ₂Ｏ₃・２ＳｉＯ₂）１０〜３０
質量％と、その他の成分５〜１０質量％とからなるもの
がより好ましい。

【００２４】 各成分をこの範囲で含有させると１２０
０℃以上の高温下で、耐熱性、耐酸化性、耐熱衝撃性、
及び靭性等が大きな材料とすることができる。

【００２５】 なお、ムライト（３Ａｌ₂Ｏ₃・２ＳｉＯ
₂）のみを主成分とする酸化物繊維では、耐熱性、耐酸
化性は充分であるが、靭性が低下し機械的強度が不充分
となる。

【００２６】 また、本発明における酸化物繊維では、
アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）繊維、シリカ（ＳｉＯ₂）繊維、
及びムライト（３Ａｌ₂Ｏ₃・２ＳｉＯ₂）繊維の少なく
とも２種以上を混在させたものでもよく、各繊維が、ア
ルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）、シリカ（ＳｉＯ₂）、又はムライ
ト（３Ａｌ₂Ｏ₃・２ＳｉＯ₂）の少なくとも２種以上か
らなるもののいずれでもよい。但し、耐熱性、耐酸化
性、熱衝撃性、耐衝撃性等が大きな点で、非晶質アルミ
ナ（Ａｌ₂Ｏ₃）繊維、非晶質シリカ（ＳｉＯ₂）繊維、
及び非晶質ムライト（３Ａｌ₂Ｏ₃・２ＳｉＯ₂）繊維の
少なくとも２種以上を混在させたものが好ましい。

【００２７】 また、このような酸化物繊維では、１２
００℃の高温下でも、耐熱性、耐酸化性、熱衝撃性、耐
衝撃性等が大きな点で、非晶質アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）繊
維０〜６０質量％と、非晶質シリカ（ＳｉＯ₂）繊維１
０〜５０質量％と、非晶質ムライト（３Ａｌ₂Ｏ₃・２Ｓ
ｉＯ₂）繊維０〜３０質量％と、その他の成分からなる
繊維０〜１０質量％とを混在させてなるものが好まし
く、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）繊維５〜６０質量％と、シリ
カ繊維（ＳｉＯ₂）１０〜５０質量％と、ムライト（３
Ａｌ₂Ｏ₃・２ＳｉＯ₂）繊維１０〜２０質量％と、その
他の成分からなる繊維５〜１０質量％とを混在させてな
るものが好ましい。

【００２８】 本発明の酸化物繊維は、アルミナ（Ａｌ
₂Ｏ₃）又はシリカ（ＳｉＯ₂）以外の成分を含有するも
のでもよく、例えば、炭化珪素、ジルコニア等のセラミ
ックス、又はＳＵＳ等金属繊維を含有させたものを挙げ
ることができる。

【００２９】 炭化珪素を含有する酸化物繊維では、高
温での強度特性を、長期間維持することができ、ジルコ
ニアを含有する酸化物繊維では、靭性を向上させること
ができ、金属繊維を含有する酸化物繊維では、使用温度
が１０００℃程度までの用途であれば、強度、及び耐衝
撃性を向上させることができる。

【００３０】 一方、これらの成分を多量に含有させる
と、耐熱性は充分であるが温度上昇とともに結晶の変態
が見られ、脆化するという問題を生じるおそれがあるた
め、１０質量％以下で含有させることが好ましい。

【００３１】 本発明における酸化物繊維は、短繊維か
らなるものでも長繊維からなるものでもよい。また、無
配向のものでも、配向性のものでもいずれでもよい。

【００３２】 但し、繊維間の絡み合いを多くして熱衝
撃性、耐衝撃性等の強度を向上させることができる点、
及び後述するマトリックスを緊密に設けることが容易で
ある点で、繊維長が３〜５０ｍｍの繊維が好ましく、繊
維長が１０〜３０ｍｍの繊維がより好ましい。

【００３３】 また、酸化物繊維の密度を大きくするこ
とにより、耐熱衝撃性、耐衝撃性等を向上させることが
できる点で、酸化物繊維の少なくとも一部を繊維軸方向
に配向させて繊維束を構成させることが好ましく、更
に、繊維束の複数を、クロス状に配列してなることがよ
り好ましい。

【００３４】 本発明における酸化物繊維は、複合材料
中、１５〜４０質量％の割合で含有させることが好まし
く、２０〜３５質量％の割合で含有させることがより好
ましい。

【００３５】 この範囲であれば、得られる複合材料の
機械的強度を充分なものとすることができるとともに、
複合材料の成形も容易に行うことができる。

【００３６】 本発明の酸化物繊維系複合材料は、上述
した酸化物繊維間の間隙又は材料の表層等に、リン酸ア
ルミニウム（ＡｌＰＯ₄）を主成分とするマトリックス
を備えるものである。

【００３７】 これにより、安価にも拘わらず、８００
℃以上の高温下で、耐酸化性、耐熱性、耐衝撃性等の大
きな材料とすることができる。なお、安価な耐熱性マト
リックスとして珪酸カルシウム（ＣａＳｉＯ₃）を主成
分とするものがあるが、固有の特性として脆いという欠
点があり、高い耐衝撃性を求められるものに適用するこ
とはできない。

【００３８】 本発明においては、マトリックスは、リ
ン酸アルミニウム（ＡｌＰＯ₄）の他、アルミナ（Ａｌ₂
Ｏ₃）を含有するものが好ましく、さらにシリカ（Ｓｉ
Ｏ₂）を含有するものがより好ましい。

【００３９】 アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）を含有させると、
耐熱性を向上させることができ、さらにシリカ（ＳｉＯ
₂）を含有させると、アルミナ粒子同士の結合させるバ
インダーとして作用するため、マトリックスの結合強度
を向上させることができる。

【００４０】 また、本発明におけるマトリックスは、
更に、第一リン酸アルミニウム（Ａｌ（Ｈ₃ＰＯ₄）₃）
を含有するものであってもよい。

【００４１】 具体的には、マトリックスが、リン酸ア
ルミニウム（ＡｌＰＯ₄）５〜７０質量％と、第一リン
酸アルミニウム（Ａｌ（Ｈ₃ＰＯ₄）₃）０〜７０質量％
と、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）５〜３０質量％と、シリカ
（ＳｉＯ₂）５〜２０質量％と、その他の成分０〜１０
質量％とからなることが好ましく、リン酸アルミニウム
（ＡｌＰＯ₄）１０〜７０質量％と、第一リン酸アルミ
ニウム（Ａｌ（Ｈ₃ＰＯ₄）₃）０〜７０質量％と、アル
ミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）１０〜２０質量％と、シリカ（ＳｉＯ
₂）１０〜１５質量％と、その他の成分５〜１０質量％
とからなることがより好ましい。

【００４２】 この範囲であれば、１０００℃以上、よ
り好ましい範囲であれば、１２００℃以上の高温化で、
耐酸化性、耐熱性、耐衝撃性等の大きな材料とすること
ができる。

【００４３】 本発明におけるマトリックスは、その他
の成分として、例えば、炭化珪素、タルク、カオリン、
コーディエライト、蛙目粘土等を含有することができ、
中でも、機械的強度（曲げ強度）を向上させることがで
きる点で炭化珪素が好ましい。一方、これらの成分を多
量に含有すると分散が不均一になり、繊維とマトリック
スの接合を阻害する場合があるため、マトリックス全成
分中、１０質量％以下で含有していることが好ましい。
また、炭化珪素を含有させる場合には、得られる複合材
料に充分な機械的強度を発揮させるために、マトリック
ス全成分中、炭化珪素が、５〜１０質量％含有している
ことが好ましい。

【００４４】 本発明の複合材料は、必要に応じて他の
層を設けることもでき、例えば、高温化での耐酸化性、
曲げ強度、耐磨耗性等を向上させるために、更に炭化珪
素層を表面に設けてもよい。

【００４５】 この際、炭化珪素層は、曲げ強度、耐酸
化性等の諸性能を充分に発揮できるように、材料表面か
ら３０〜３００μｍの厚さで設けることが好ましい。

【００４６】 尚、以上のような酸化物繊維とマトリッ
クスを備える本発明の複合材料では、８００℃以上の高
温でも実質的に酸化されることがなく（高温において温
度の影響により重量変化を生じないという意味であ
る。）、かつその衝撃強度が１.０〜５０.０ｋＪ／ｍ²
である酸化物繊維系複合材料とすることができる。

【００４７】 また、複合材料の表面に、更に、３０〜
３００μｍの厚さの炭化珪素層を形成した複合材料で
は、１３００℃以上の大気雰囲気中でも実質的に酸化さ
れず、曲げ強度が１０〜２００ＭＰａであるとともに、
耐磨耗性が大きく、熱膨張率が小さな複合材料を得るこ
とができ、更に、酸化繊維間の間隙におけるマトリック
スに、炭化珪素を含有させた複合材料では、更に曲げ強
度が、５０〜３００ＭＰａの材料とすることができる。

【００４８】 本発明の複合材料は、以上説明したよう
に、安価な材料からなるにも拘らず、高温化における耐
酸化性、耐衝撃性、耐熱衝撃性等が大きく、特定水準以
上の曲げ強度を有するため、このような高度の特性が要
求される、各種金属加工用部材、摺動部材等の材料とし
て好適に使用することができる。

【００４９】 次に、本発明の酸化物繊維系複合材料の
製造方法について説明する。本発明の酸化物繊維系複合
材料の製造方法は、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）、シリカ（Ｓ
ｉＯ₂）、又はこれらの化合物の少なくとも１種を主成
分とする酸化物繊維に、第一リン酸アルミニウム（Ａｌ
（Ｈ₃ＰＯ₄）₃）を主成分とするマトリックス原料から
なるスラリーを含浸させ、含浸させたスラリーを硬化さ
せた後、乾燥するものである。これにより、上述した優
れた特性を有する酸化物繊維系複合材料を簡易かつ低コ
ストで製造することができる。

【００５０】 本発明の製造方法で用いられる酸化物繊
維としては、上述した本発明の酸化物繊維系複合材料に
ついて説明したものと同様であり、ここではその説明を
省略する。

【００５１】 また、アルミナ繊維、ムライト繊維、又
はシリカ繊維は、それぞれ、アルミナ系原料、ムライト
系原料又はシリカ系原料を高温で溶融した後、溶融物
を、高速の圧縮空気若しくはスチーム、又は遠心力によ
り吹飛ばして繊維状にする方法、又はアルミナ系原料、
ムライト系原料又はシリカ系原料を特殊な紡糸用助剤を
用いて繊維状に成形し、高温で処理する方法等で製造す
ることができる。

【００５２】 また、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）、シリカ
（ＳｉＯ₂）、又はムライト（３Ａｌ₂Ｏ₃・２ＳｉＯ₂）
等の少なくとも２種以上を含有する酸化物繊維は、アル
ミナ系原料、ムライト系原料及びシリカ系原料の少なく
とも２種以上を、高温で溶融、混合し、これを高速の圧
縮空気やスチーム、遠心力により吹飛ばして繊維状にす
る方法で製造することができる。なお、これら各酸化物
繊維は、一般に流通しているものを用いてもよい。

【００５３】 本発明において、酸化物繊維を短繊維と
する場合には、製造した繊維を所望の長さで切断すれば
よく、長繊維とする場合には、製造後そのまま用いれば
よい。また、酸化物繊維を繊維軸方向に配向させて繊維
束とする場合には、酸化物繊維に微量の有機繊維を添加
して紡織する等の方法により行えばよく、この繊維束を
クロス状に配列した複合材料とすれば、より耐熱衝撃
性、耐衝撃性等の大きな複合材料とすることができる。
なお、得られた酸化物繊維は、その使用態様に応じて、
例えば、円柱状体、柱状体、三角錐体等の所望の形状に
成形すればよい。

【００５４】 次に、本発明で用いるスラリーとして
は、第一リン酸アルミニウム（Ａｌ（Ｈ₃ＰＯ₄）₃）の
他、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）を含有するものが好ましく、
さらにシリカ（ＳｉＯ₂）を含有するものがより好まし
い。

【００５５】 アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）を含有させると、
得られる材料の耐熱性を向上させることができ、さらに
シリカ（ＳｉＯ₂）を含有させると、アルミナ粒子同士
の結合させるバインダーとして作用するため、マトリッ
クスの結合強度を向上させることができる。

【００５６】 また、本発明におけるスラリーは、更
に、リン酸アルミニウム（ＡｌＰＯ₄）を含有するもの
であってもよい。

【００５７】 具体的には、マトリックスが、第一リン
酸アルミニウム（Ａｌ（Ｈ₃ＰＯ₄）₃）５〜７０質量％
と、リン酸アルミニウム（ＡｌＰＯ₄）０〜７０質量％
と、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）５〜３０質量％と、シリカ
（ＳｉＯ₂）５〜２０質量％と、その他の成分０〜１０
質量％とからなることが好ましく、第一リン酸アルミニ
ウム（Ａｌ（Ｈ₃ＰＯ₄）₃）１０〜７０質量％と、リン
酸アルミニウム（ＡｌＰＯ₄）０〜７０質量％と、アル
ミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）１０〜２０質量％と、シリカ（ＳｉＯ
₂）１０〜１５質量％と、その他の成分５〜１０質量％
とからなることがより好ましい。

【００５８】 この範囲であれば、１０００℃以上、よ
り好ましい範囲であれば、１２００℃以上の高温化で、
耐酸化性、耐熱性、耐衝撃性等の大きな材料とすること
ができる。

【００５９】 また、本発明におけるスラリーのその他
の成分としては、例えば、フェノール系樹脂、金属珪
素、炭化珪素、タルクカオリン・コーデェライト、蛙目
粘土等を挙げることができ、中でも、炭化珪素を含有す
るマトリックスを形成させて、複合材料の機械的強度
（曲げ強度）を向上させることができる点から、フェノ
ール系樹脂と金属珪素又はフェノール系樹脂を含有させ
ることが好ましい。

【００６０】 一方、これらの成分を多量に含有すると
スラリーの粘度が高くなり、均一分散が困難となる場合
があるため、マトリックス全成分中、１０質量％以下で
含有していることが好ましい。また、炭化珪素を含有さ
せる場合には、得られる複合材料に充分な機械的強度を
発揮させるために、マトリックス全成分中、炭化珪素
が、５〜１０質量％含有していることが好ましい。

【００６１】 また、本発明におけるスラリーは、この
マトリックス原料１００重量部に対して、２０〜５０重
量部の水を投入、混練して、粘度１０^-3〜２×１０^-3Ｐ
ａ・ｓとすることが好ましい。

【００６２】 スラリーの粘度をこの範囲とすると、酸
化物繊維間に緻密にマトリックスを形成することができ
るとともに、後述する硬化、乾燥の際に不要に長時間を
費やすことなく複合材料を得ることができる。

【００６３】 更に、本発明におけるスラリーの温度
は、粘性の変動を抑制するためには、２０〜３０℃が好
ましい。

【００６４】 酸化物繊維に、このスラリーを含浸させ
る時間は、含浸させる酸化物繊維からなる成形体の形
状、大きさ、及び配向性等の繊維の状態により、適宜、
適切な時間とする必要があるが、通常、２〜１０分で行
うことが好ましい。

【００６５】 次に、含浸させたスラリーの硬化は、酸
化物繊維にスラリーを含浸させた材料を、含浸槽より取
り出して、８０〜１００℃の温度で水和反応させて硬化
すればよい。この温度範囲であれば、急激な水蒸気の体
積増大による複合材料の膨張等を生じることなく、迅速
に乾燥させることができる。

【００６６】 硬化時間は、マトリックスが占める体
積、スラリーの水分含有率等によって異なるが、通常、
５〜１２０分で行うことが好ましい。もっとも、スラリ
ーの硬化を、より高温下で行って、より迅速に硬化させ
ることもできる。

【００６７】 スラリーの硬化して得られた複合材料の
乾燥についても同様に、マトリックスが占める体積、ス
ラリーの水分含有率等によって異なるが、６０〜１２０
分で行うことが好ましい。また、乾燥を真空条件下で行
って、より迅速に乾燥させることもできる。

【００６８】 本発明においては、複合材料を乾燥した
後、複合材料を更に焼成することが好ましい。焼成によ
り、マトリックス中の第一リン酸アルミニウムを安定な
リン酸アルミニウムに変化させることができるため、よ
り耐衝撃性が大きく、高温下でも、リン酸の他の金属等
との反応による汚染のない複合材料とすることができ
る。

【００６９】 また、本発明においては、複合材料を乾
燥した後、又は更に複合材料を焼成した後に、複合材料
に金属珪素とフェノール樹脂とを主成分とするスラリー
を含浸させ、次いで焼成することにより材料表面に炭化
珪素層を形成させることが好ましい。

【００７０】 これにより、高温化における耐酸化性、
耐熱性、耐磨耗性等を更に向上させることができる。

【００７１】 用いる金属珪素は、純度が９９．５％以
上のものが好ましく、フェノール樹脂としては、ノボラ
ック型の常温〜８０℃で液状の樹脂が好ましい。

【００７２】 また、スラリー中のフェノール系樹脂及
び金属珪素は、フェノール系樹脂１００重量部に対し、
金属珪素１０〜１５０重量部の割合で含有させることが
好ましく、フェノール系樹１００重量部に対し、金属珪
素１００〜１２０重量部の割合で含有させることがより
好ましい。

【００７３】 本発明においては、焼成は、不活性雰囲
気等で１２００℃〜１８００℃で行うことが好ましい。

【００７４】 なお、フェノール系樹脂を含有するマト
リックス原料をスラリーとして用いる場合は、硬化、乾
燥後、得られた複合材料を、不活性雰囲気等で１０００
℃以下で仮焼してフェノール系樹脂を炭化させた後、金
属珪素を主成分とするスラリーを含浸させ、次いで、同
雰囲気下等で１２００℃〜１８００℃に昇温し焼成する
ことにより、炭化珪素層を形成させることができる。

【００７５】

【実施例】 以下、本発明の具体的態様について実施例
によりさらに詳しく説明するが、本発明はその要旨を超
えない限りこれらの実施例によって限定されるものでは
ない。なお、実施例及び比較例で得られた複合材料につ
いての評価は、下記の方法で行った。

【００７６】１．評価方法 （耐衝撃性(靭性)）シャルピー衝撃試験（ＪＩＳ Ｋ
７１１−１９７７）により評価した。

【００７７】（曲げ強度）３×４×４０ｍｍの試料を準
備し、ＪＩＳ Ｒ１６０１により４点曲げ強度測定によ
り評価した。

【００７８】（嵩密度）嵩密度は、アルキメデス法によ
り、下記式（１）により算出した。 嵩密度＝Ｗ１／（Ｗ２−Ｗ３） …（１） 「式（１）中、Ｗ１は、試料を１００℃のオーブンで１
ｈｒ乾燥させ、その後秤量して求めた乾燥重量を示し、
Ｗ２は、試料を煮沸し、開気孔中に完全に水を侵入させ
た後、同試料を水中にて秤量したときの重量を、そし
て、Ｗ３は、開気孔中に完全に水を侵入させた試料を大
気中にて秤量したときの含水量を示す。」

【００７９】（耐酸化性）試験試料を１０００℃に昇温
した大気中に所定時間試料を保持した後、重量を測定
し、試験前の重量と比較して、その重量の増減率Ｗ２’
を下記（２）式により求めた。 Ｗ２’＝（Ｗ０−Ｗ１）／Ｗ０×１００ …（２） 「式（２）中、Ｗ０は、耐酸化性試験前の重量を示し、
Ｗ１は、耐酸化性試験後の重量を示し、Ｗ２’は、重量
の増減率を示す（減少は、数字の前に−記号を付け区別
した）。」

【００８０】２．実施例、及び比較例 (実施例１)マット状のムライト繊維（商品名：ＳＣブラ
ンケット１４００、新日化サーマルセラミックス社製）
を、含浸槽中の主成分が第一リン酸アルミニウムからな
るマトリックススラリーに浸して、スラリーを含浸させ
た後、得られたシート状の複合材料を、８０℃の乾燥機
中で、水分量が、成形前材料に対して５質量％となるま
で水分を除去し、乾燥後の複合材料を、平板プレスによ
り、１４０℃、２０ｋｇ／ｃｍ²、３０分間の条件下で
加圧成形し、板状の、酸化物繊維系複合材料からなる成
形品を得た。材料組成を表１に、材料評価を表２に、ま
とめて示す。

【００８１】(実施例２)マット状のムライト繊維（商品
名：ＳＣブランケット１４００、新日化サーマルセラミ
ックス社製）、およびクロス状のアルミナ長繊維（商品
名：アルミナセブン、日本グラスファイバー社製）を混
在させた酸化物繊維を用いたこと以外については、実施
例１と同様にして板状、酸化物繊維系複合材料からなる
成形品を得た。材料組成を表１に、材料評価を表２に、
まとめて示す。

【００８２】(比較例１)チョップしたＥガラス繊維を用
いたこと以外については、実施例１と同様にして板状、
酸化物繊維系複合材料からなる成形品を得た。材料組成
を表１に、材料評価を表２に、まとめて示す。

【００８３】(比較例２)比較の為、押出しカーボン材
（商品名：ＳＥＧ−Ｔ、日本カーボン社製）を、評価し
た。材料評価を表２に、まとめて示す。

【００８４】

【表１】

【００８５】

【表２】

【００８６】３．評価 表２に示されるように、本発明で規定する原料組成によ
り製造した実施例１〜２は、いずれも比較例１〜２に比
べて、嵩比重、耐衝撃性および耐酸化性が大きく、曲げ
強度も、同等か、より大きかった。

【００８７】

【発明の効果】 以上説明した通り、本発明によれば、
８００℃以上の高温下であっても、高い耐酸化性、耐衝
撃性、耐熱衝撃性等を発揮することができる、安価な酸
化物繊維系複合材料、及びその製造方法を提供すること
ができ、極めて高温化で使用する金属加工用治具等に好
適な材料を、極めて低コストで提供することができる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 位田 孝男 愛知県名古屋市瑞穂区須田町２番56号 日 本碍子株式会社内

Claims (20)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）、シリカ（ＳｉＯ
   ₂）、又はこれらの化合物の少なくとも１種を主成分と
   する酸化物繊維と、リン酸アルミニウム（ＡｌＰＯ₄）
   を主成分とするマトリックスとを備えることを特徴とす
   る酸化物繊維系複合材料。
2. 【請求項２】 前記酸化物繊維が、アルミナ（Ａｌ
   ₂Ｏ₃）０〜９０質量％と、シリカ（ＳｉＯ₂）１０〜７
   ０質量％と、ムライト（３Ａｌ₂Ｏ₃・２ＳｉＯ₂）０〜
   ３０質量％と、その他の成分０〜１０質量％とからなる
   請求項１に記載の酸化物繊維系複合材料。
3. 【請求項３】 前記酸化物繊維が、非晶質アルミナ（Ａ
   ｌ₂Ｏ₃）繊維０〜６０質量％と、非晶質シリカ（ＳｉＯ
   ₂）繊維１０〜５０質量％と、非晶質ムライト（３Ａｌ₂
   Ｏ₃・２ＳｉＯ₂）繊維０〜３０質量％と、その他の成分
   からなる繊維０〜１０質量％とを混在させてなる請求項
   １又は２に記載の酸化物繊維系複合材料。
4. 【請求項４】 前記酸化物繊維の長さが、３〜５０ｍｍ
   である請求項１〜３のいずれか一項に記載の酸化物繊維
   系複合材料。
5. 【請求項５】 前記酸化物繊維の少なくとも一部が、繊
   維軸方向に配向されて繊維束を構成する請求項１〜４の
   いずれか一項に記載の酸化物繊維系複合材料。
6. 【請求項６】 前記繊維束の複数を、クロス状に配列し
   てなる請求項５に記載の酸化物繊維系複合材料。
7. 【請求項７】 前記酸化物繊維を、複合材料中、１５〜
   ４０質量％含有する請求項１〜６のいずれか一項に記載
   の酸化物繊維系複合材料。
8. 【請求項８】 前記マトリックスが、リン酸アルミニウ
   ム（ＡｌＰＯ₄）５〜７０質量％と、第一リン酸アルミ
   ニウム（Ａｌ（Ｈ₃ＰＯ₄）₃）０〜７０質量％と、アル
   ミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）５〜３０質量％と、シリカ（Ｓｉ
   Ｏ₂）５〜２０質量％と、その他の成分０〜１０質量％
   とからなる請求項１〜７のいずれか一項に記載の酸化物
   繊維系複合材料。
9. 【請求項９】 ８００℃以上の高温でも実質的に酸化さ
   れることがなく、かつその衝撃強度が１．０〜５０．０
   ｋＪ／ｍ²である請求項１〜８のいずれか一項に記載の
   酸化物繊維系複合材料。
10. 【請求項１０】 アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）、シリカ（Ｓｉ
    Ｏ₂）、又はこれらの化合物の少なくとも一種を主成分
    とする酸化物繊維に、第一リン酸アルミニウム（Ａｌ
    （Ｈ₃ＰＯ₄）₃）を主成分とするマトリックス原料から
    なるスラリーを含浸させ、該含浸させたスラリーを硬化
    させた後、得られた複合材料を乾燥することを特徴とす
    る酸化物繊維系複合材料の製造方法。
11. 【請求項１１】 前記酸化物繊維が、アルミナ（Ａｌ₂
    Ｏ₃）０〜９０質量％と、シリカ（ＳｉＯ₂）１０〜７０
    質量％と、ムライト（３Ａｌ₂Ｏ₃・２ＳｉＯ₂）０〜３
    ０質量％と、その他の成分０〜１０質量％とからなる請
    求項１０に記載の酸化物繊維系複合材料の製造方法。
12. 【請求項１２】 前記酸化物繊維が、アルミナ（Ａｌ₂
    Ｏ₃）繊維０〜６０質量％と、シリカ（ＳｉＯ₂）繊維１
    ０〜５０質量％と、ムライト（３Ａｌ₂Ｏ₃・２Ｓｉ
    Ｏ₂）繊維０〜３０質量％と、その他の成分からなる繊
    維０〜１０質量％とを混在させてなる請求項１０又は１
    １に記載の酸化物繊維系複合材料の製造方法。
13. 【請求項１３】 前記酸化物繊維の長さが、３〜５０ｍ
    ｍである請求項１０〜１２のいずれか一項に記載の酸化
    物繊維系複合材料の製造方法。
14. 【請求項１４】 前記酸化物繊維の少なくとも一部が、
    繊維軸方向に配向されて繊維束を構成する請求項１０〜
    １３のいずれか一項に記載の酸化物繊維系複合材料の製
    造方法。
15. 【請求項１５】 前記繊維束の複数を、クロス状に配列
    してなる請求項１４に記載の酸化物繊維系複合材料の製
    造方法。
16. 【請求項１６】 前記マトリックス原料からなるスラリ
    ーが、第一リン酸アルミニウム（Ａｌ（Ｈ₃ＰＯ₄）₃）
    ５〜７０質量％と、リン酸アルミニウム（ＡｌＰＯ₄）
    ０〜７０質量％と、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）５〜３０質量
    ％と、シリカ（ＳｉＯ₂）５〜２０質量％と、その他の
    成分０〜１０質量％とからなる請求項１０〜１５のいず
    れか一項に記載の酸化物繊維系複合材料の製造方法。
17. 【請求項１７】 前記マトリックス原料からなるスラリ
    ーが、第一リン酸アルミニウム（Ａｌ（Ｈ₃Ｐ
    Ｏ₄）₃）、リン酸アルミニウム（ＡｌＰＯ₄）、アルミ
    ナ（Ａｌ₂Ｏ₃）、及びシリカ（ＳｉＯ₂）を含有する請
    求項１６に記載の酸化物繊維系複合材料の製造方法。
18. 【請求項１８】 前記マトリックス原料からなるスラリ
    ーが、その他の成分として、金属珪素とフェノール系樹
    脂、又はフェノール系樹脂を含有する請求項１０〜１７
    のいずれか一項に記載の酸化物繊維系複合材料の製造方
    法。
19. 【請求項１９】 前記複合材料を乾燥した後、該複合材
    料を、更に焼成する請求項１０〜１８のいずれか一項に
    記載の酸化物繊維系複合材料の製造方法。
20. 【請求項２０】 前記複合材料を乾燥した後、又は前記
    複合材料を更に焼成した後、該複合材料に、金属珪素と
    フェノール系樹脂、又は金属珪素を含浸させる請求項１
    ０〜１９のいずれか一項に記載の酸化物繊維系複合材料
    の製造方法。